SZÁMÍTÓGÉP ARCHITEKTÚRÁK

(1)

Budapest, 2021.03.10.

SZÁMÍTÓGÉP ARCHITEKTÚRÁK

Háttértárak

Horváth Gábor, Belső Zoltán

BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék

ghorvath@hit.bme.hu, belso@hit.bme.hu

(2)

Adattárolás merevlemezen (HDD)

(3)

FORGÓLEMEZES ADATTÁROLÓK

●

Részei:

●

Lemez(ek)

●

1 vagy több adathordozó felület

●

Ezen tároljuk az adatot

●

A fej

●

Olvassa/írja az adatokat

●

Adatok elérése:

1) A fejet a kívánt radiális távolságba toljuk

• Ez a seek

2) A lemezt a kívánt pozícióba forgatjuk 3) Megtörténik az írás/olvasás

●

HDD → mágneses elven

●

CD/DVD/BR → optikai elven

(4)

AZ ADATOK SZERVEZÉSE

●

Domináns megoldás: fix méretű blokkok

→ szektor (tipikusan 512 bájt)

●

Hivatkozás a szektorokra: lineáris címmel (0-tól)

●

Logical Block Addressing (LBA)

●

Leképzés a lemezek geometriájára → a diszk dolga

●

Szektorok elhelyezkedése:

●

Merevlemezen:

●

Koncentrikus körökben

→ neve: sáv

●

Forgás: állandó szögsebességgel CAV: Constant Angular Velocity

●

Optikai lemezeken:

●

Spirálisan

●

Forgás: állandó lineáris sebességgel a spirál mentén CLV: Constant Linear Velocity

Optikai lemezek:

Merevlemezek:

(5)

ZÓNA RENDSZERŰ ADATTÁROLÁS MEREVLEMEZEKBEN

● Ha az adatsűrűség fix az egész diszkre:

● Kifelé haladva minden sávban egyre több szektor lesz

● Külső sávok felé haladva egyre

gyorsabban kell olvasni a szektorokat

● Sávonként olvasási sebességet váltani → nem megoldható

● Ha a sávonkénti szektorok száma fix az egész diszkre:

● Minden szektort ugyanannyi ideig tart elolvasni

● A belső szektorokban nagyobb az adatsűrűség → a külsőkben pazarló

● Arany középút: nem váltunk sebességet minden sávban, csak zónánként

→ zóna rendszerű adattárolás (ZBR, Zoned Bit Recording)

● Egy zónán belül minden sávban ugyanannyi szektor van

● Egy zónán belül fix az adatleolvasási sebesség

ZBR nélkül: ZBR-rel:

(6)

MEREVLEMEZEK TELJESÍTMÉNYE

●

Szeretnénk egy szektorsorozatot átvinni

●

A kérés először egy bufferbe kerül

●

Régen: op. rendszer menedzselte

●

Ma: diszk menedzseli → command queueing

●

A számára kényelmes (és gyors) sorrendben szolgálja ki őket

●

A bufferből kivéve a diszk kiszolgálja a kérést

(7)

MEREVLEMEZEK TELJESÍTMÉNYE

●

Teljesítményjellemzők:

● Kiszolgálási idő

●

5 komponensből áll:

●

A hordozóról való leolvasás és az interfész átvitel átlapolható!

● Átviteli sebesség (throughput)

●

Kétféle megadás:

●

Kérések számában mérve: IOPS: [kiszolgált kérések száma/sec]

●

Adatsebességben mérve: IOPS x átlag átvitt adatmennyiség [byte/sec]

●

Kis blokkmérettel mérve: véletlen átviteli sebesség

●

Seek idő, forgási késleltetés dominál

●

Nagy, folytonos blokkméretekkel mérve: folytonos átviteli sebesség

●

Az adatleolvasási idő dominál

(8)

1. FELADAT

● A merevlemez paraméterei:

● 3 db 2 oldalas lemeze van

● Adathordozó rétegenként 100.000 sáv

● 2 zóna: 1 – 50.000-ig 2000 szektor/sáv, 50.001 – 100.000-ig 1000 szektor/sáv

● Forgási sebesség: 10.000 fordulat/perc (RPM)

● Átlag seek idő: 4,5 ms

● Parancsfeldolgozási késleltetés: 0,3 ms

● Illesztőfelület sebessége: 100·10⁶ byte/s

● Szektorok mérete: 500 byte

● Feladatok:

a) Mekkora a merevlemez kapacitása bájtban mérve?

b) Mennyi ideig tart a 75.000-es sávban egy 4.000 bájtos adatátvitel (kb. 4 kB)?

És mennyi ideig tart egy 16.000.000 bájtos adatátvitel (kb. 16 MB)?

(Feltéve, hogy a szektorok egymás után helyezkednek el a lemezen, adatátvitel közben újabb seek nem szükséges)

Hasonlítsuk össze a két esetet: mely komponensek dominálnak? Vonjuk le a következtetést!

c) Számítsuk ki az előbbi 4000 bájtos kérésméretre vonatkozó véletlen- és a 16.000.000 bájtos kérésméretre vonatkozó folytonos átviteli sebességet!

(9)

1. FELADAT MEGOLDÁSA

a) A merevlemez kapacitása:

● 3 lemez * 2 oldal * (50.000*2000 szektor + 50.000*1000 szektor) * 500 bájt

= 450·10⁹ byte

b) Átviteli idők számítása:

• Diszk körülfordulási idő: T = (60.000 ms/perc) / (10.000 fordulat/perc) = 6 ms/fordulat

• Átlagos forgási késleltetés: T/2 = 3 ms

• Egy szektor leolvasása a 75.000-es sávban: T/1000 = 0,006 ms/szektor

• Interfész átviteli idő: (500 bájt/szektor) / (100·10⁶ bájt/s) = 5·10^-6s/szektor = 0,005 ms/szektor

• Seek idő: adott, 4,5 ms, parancsfeldolgozási idő: adott, 0,3 ms

• A 4.000 bájtos kérés kiszolgálási ideje (=8 szektor)

• 0,3 + 4,5 + 3 + 8*0,006 + 0,005 = 7,853 ms

• Figyelembe vettük az átlapolást, az interfész átviteli időnél csak az utolsó szektorral kellett számolni!

• A 16.000.000 bájtos kérés kiszolgálási ideje (=32.000 szektor)

• 0,3 + 4,5 + 3 + 32.000*0,006 + 0,005 = 199,805 ms

• Következtetés: kis méretnél a mechanikai késleltetés (seek + forgás) dominál, nagynál az adatleolvasási idő c) Átviteli sebességek kiszámítása:

• A 4.000 bájtos kérésre:

• IOPS = (1.000 ms/sec) / (7,853 ms/kérés) = 127,34 kérés/sec

• Bájtsebességben: (127,34 kérés/sec) * (4.000 bájt/kérés) = 509360 bájt/sec ≈ 510 kB/sec !!!

• A 16.000.000 bájtos kérésre:

• IOPS = (1.000 ms/sec) / (199,805 ms/kérés) = 5,005 kérés/sec

• Bájtsebességben: (5,005 kérés/sec) * (16.000.000 bájt/kérés) = 80.080.000 bájt/sec ≈ 80 MB/sec !!!

(10)

2. FELADAT

●

A merevlemez paraméterei:

●

3 db 2 oldalas lemez

●

Adathordozó rétegenként 20.000 sáv

●

Minden sávban 1000 szektor (ZBR nincs)

●

Szektorok mérete: 500 bájt

●

Átlagos seek idő: 4 ms

●

Feladatok:

a) Mekkora a merevlemez kapacitása bájtban mérve?

b) Mérésekkel megállapítottuk, hogy az 1 véletlen szektorra vonatkozó olvasási kérések átlagos kiszolgálási ideje 10 ms.

Ha a parancsfeldolgozási késleltetéstől és az interfészen való átviteli időtől eltekintünk, milyen gyorsan forog a lemez? (fordulat/perc-ben)

c) Meddig tart egy szektor leolvasása az adathordozóról, ha már ott van a fej?

d) Ha a parancsfeldolgozási idő 0,1 ms, az adatátviteli interfész sebessége pedig 50 10

⋅ ⁶

bájt/s, akkor mennyi a 2.000 bájtos blokkokra vonatkozó (véletlen)

adatátviteli sebesség?

e) Mennyi az 50 10

⋅ ⁶

bájtos blokkokra vonatkozó (folytonos) adatátviteli sebesség?

(11)

Félvezető alapú háttértárak (SSD)

(12)

EGY BIT TÁROLÁSA

●

Alapja a lebegő gate-es tranzisztor

● A lebegő gate-be elektronok zárhatók

● Benne is maradnak (táp nélkül)

● Megváltoztatják a tranzisztor viselkedését

●

Adatok reprezentálása:

● Egy tranzisztor 1 bitet tárol (egyelőre)

● Vannak elektronok: 0, nincsenek: 1

●

Váltás 1-ből 0-ba: programozás

● Elektronokat tömünk a lebegő gate-be

●

Váltás 0-ból 1-be: törlés

● Kiszivattyúzzuk az elektronokat a lebegő gate-ből

●

Mindkét művelet nagy stresszt jelent a tranzisztornak!

●

A programozás és törlés mellékhatása:

● A lebegő gate-be és onnan ki mászkáló elektronok beragadhatnak a szigetelőbe (örökre)

● A szigetelőréteg egyre kevésbé fog szigetelni

● Öregedés!

(13)

NÉHÁNY BIT TÁROLÁSA

●

Eddig 2 töltöttségi állapot volt: nincs töltés → 1, van → 0

●

Miért ne használnánk több töltöttségi szintet?

● N bit tárolásához 2^N töltöttségi szintet kell megkülönböztetni

● SLC flash: 1 tranzisztor → 1 bit

● MLC flash: 1 tranzisztor → több (tipikusan 2) bit

● Újabban a gyártók máshogy értelmezik az MLC-t:

● SLC: N=1 – leggyorsabb, legdrágább

● MLC: N=2

● TLC: N=3

● QLC: N=4 – leglassabb, legolcsóbb

●

Minél nagyobb N, annál gyorsabban öregszik! Elviselt törlési ciklusok száma:

●

SLC: kb. 100.000

●

MLC: kb. 10.000

●

TLC: kb. 1.000 – 3.000

●

QLC: kb. 100 – 750 (!)

(14)

SOK BIT TÁROLÁSA

● A tranzisztorokat 2D rácsba rendezzük

● De hogyan?

● NOR flash:

● Byte szinten címezhető

● Utasításmemóriaként használható (BIOS, firmware, stb.)

● NAND flash:

● Kezdetektől fogva háttértárnak szánták

● Olvasás és írás egységei: lapok

● Lap: a tárolómező egy sorának bitjei

● Az egész tárolómező neve: blokk

● Törölni csak teljes blokkot lehet, lapokat egyesével nem

● Tárolási hierarchia:

● 1 lebegő gate-es tranzisztor: 1 – 3 bitet tárol

● 1 lap: 512 byte – 8 kB

● 1 blokk: 128 – 256 lap

● 1 tárolósík: 1024 blokk

● 1 szilíciumlapka: 1 – 4 tárolósík 1 tok: 1 – 4 szilíciumlapka

Az Intel 8 GB-os 2-bites MLC NAND flash lapkája

(15)

SZEKTORSZINTŰ MŰVELETEK

●

Olvasás

●

LBA címéből → fizikai elhelyezkedés, kiolvasás, kész.

●

Írás

●

HDD-nél: Ha egy fájlt többször mentünk, HDD felülírja a régit

●

SSD-nél: Nem tud lapot felülírni!!!

●

Minden új változatot új, szűz helyre tesz, a régit érvénytelennek jelöli

●

Új szűz lapok generálása: ha egy teljes blokkon már nincs hasznos adat, törli (akár 2 MB!)

●

Minden laphoz állapotot tárol:

●

„Használt”

●

„Érvénytelen”

●

„Törölt”

(16)

LAPÍRÁS MENEDZSMENT

●

Minden írási művelet az írási frontra vonatkozik

●

Ha az írási front megtelik, újat választ a törölt blokkok közül

●

Példa: írási kérések a 8, 12, 1 LBA címekre

(17)

LAPÍRÁS MENEDZSMENT

●

Minden írási művelet az írási frontra vonatkozik

●

Ha az írási front megtelik, újat választ a törölt blokkok közül

●

Példa: írási kérések a 8, 12, 1 LBA címekre

(18)

LAPÍRÁS MENEDZSMENT

●

Minden írási művelet az írási frontra vonatkozik

●

Ha az írási front megtelik, újat választ a törölt blokkok közül

●

Példa: írási kérések a 8, 12, 1 LBA címekre

(19)

LAPÍRÁS MENEDZSMENT

●

Minden írási művelet az írási frontra vonatkozik

●

Ha az írási front megtelik, újat választ a törölt blokkok közül

●

Példa: írási kérések a 8, 12, 1 LBA címekre

(20)

LAPÍRÁS MENEDZSMENT

●

Ha fogynak törölt blokkok → szemétgyűjtés

●

Kinéz egy blokkot

●

„Használt” lapjait → írási frontra

●

Törli az egész blokkot

●

Példa:

(21)

LAPÍRÁS MENEDZSMENT

●

Ha fogynak törölt blokkok → szemétgyűjtés

●

Kinéz egy blokkot

●

„Használt” lapjait → írási frontra

●

Törli az egész blokkot

●

Példa:

(22)

LAPÍRÁS MENEDZSMENT

●

A működés következménye:

●

Az SSD idővel lassul!

●

Mert amikor új, nem kell szemetet gyűjtenie

●

Korszerű SSD-k megoldása:

●

Ráérő idejükben szemetet gyűjtögetnek

●

Csínján kell bánni a lapok rendezgetésével – koptatja az SSD-t!

●

Csak akkor megy, ha van ráérő idő. Ha nincs (pl. terhelt szerver), drasztikus a lassulás.

●

Kopás-kiegyenlítés

●

Minden blokk egyformán kopjon (statikus és változékony egyaránt)

●

Adattömörítés

●

Ha az adatokat tömörítjük, kevesebbet kell írni (lassul az öregedés)

●

Több írási kérés bevárása

●

Hátha jön 1-2 kérés, ami ugyanarra a lapra vonatkozik

●

Ezek egyetlen írási művelettel végrehajthatók

●

Stb.

(23)

3. FELADAT

●